对齐究竟如何影响内存布局和放置新的行为？答案

【问题标题】：How exactly does alignment impact memory layout and the bahaviour of placement new?对齐究竟如何影响内存布局和放置新的行为？
【发布时间】：2019-06-17 15:45:00
【问题描述】：

我们阅读了很多关于对齐及其重要性的文章，例如对于放置 new 的使用，但我想知道 - 它究竟如何改变内存的布局？

显然，如果我们这样做了

char buffer[10];
std::cout << sizeof buffer;

和

alignas(int) char buffer[10];
std::cout << sizeof buffer;

我们得到相同的结果，即10。

但行为不可能完全相同，不是吗？怎么区分的？我试图寻找答案并跑到godbolt，测试以下代码：

#include <memory>

int main() {
    alignas(int) char buffer[10];
    new (buffer) int;
}

在 GCC 8.2 和没有优化的情况下，会导致以下程序集：

operator new(unsigned long, void*):
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
    mov     QWORD PTR [rbp-16], rsi
    mov     rax, QWORD PTR [rbp-16]
    pop     rbp
    ret
main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    lea     rax, [rbp-12]
    mov     rsi, rax
    mov     edi, 4
    call    operator new(unsigned long, void*)
    mov     eax, 0
    leave
    ret

让我们通过删除alignas(int) 部分来稍微更改代码。现在，生成的程序集略有不同：

operator new(unsigned long, void*):
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
    mov     QWORD PTR [rbp-16], rsi
    mov     rax, QWORD PTR [rbp-16]
    pop     rbp
    ret
main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    lea     rax, [rbp-10]
    mov     rsi, rax
    mov     edi, 4
    call    operator new(unsigned long, void*)
    mov     eax, 0
    leave
    ret

值得注意的是，它的区别仅在于lea 指令，其中第二个参数是[rbp-10] 而不是[rbp-12]，就像我们在alignas(int) 版本中那样。

请注意，我通常不懂汇编。我不能写汇编，但我能读懂它。据我了解，差异只是改变了内存地址的偏移量，它将保存我们的位置-newed int。

但它实现了什么？为什么我们需要那个？假设我们有一个 buffer 数组的“通用”表示，如下所示：

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

现在，我假设，在放置-newing int（有或没有对齐）之后，我们最终会得到这样的结果：

[x] [x] [x] [x] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

其中x 表示int 的单个字节（我们假设sizeof(int) == 4）。

但我一定错过了什么。还有更多，我不知道是什么。通过将buffer 与int 匹配对齐，我们究竟能实现什么？如果我们不如此对齐会发生什么？

【问题讨论】：

当您在同一缓冲区中放置新的 char 并立即在其“之后”放置新的 int 时，就会出现问题。
@MooingDuck 所以假设我永远不会将我放置的类型 -new 混合到我的缓冲区中（假设我以非常简化的方式模仿 std::vector 的缓冲区方式），我可以在没有任何对齐的情况下做到这一点？
不，对齐仍然是一个问题，在混合类型之前很难注意到问题。
相关，但不完全回答这个问题：stackoverflow.com/questions/119123/…

标签： c++ memory-alignment placement-new memory-layout alignas

【解决方案1】：

在某些架构上，必须对齐类型才能使操作正常工作。例如，int 的地址可能需要是 4 的倍数。如果不是这样对齐，那么对内存中的整数进行操作的 CPU 指令将无法工作。

即使当数据没有很好地对齐时一切工作，对齐对于性能仍然很重要，因为它确保整数等不会跨越缓存边界。

当您将char 缓冲区与整数边界对齐时，它不会影响放置 new 的方式。它只是确保您可以使用placement new 将int 放在缓冲区的开头，而不会违反任何对齐约束。它通过确保缓冲区的地址是 4 个字节的倍数来做到这一点。

【讨论】：